2. lecke. A belsőégésű motor mechatronikája

A belsőégésű motor, mint mechatronikai rendszer felépítésének és működésének a megismerése.

A hallgató legyen képes:
- felsorolásból kiválasztani a motor szabályzás fő célját,
- felsorolásból kiválasztani, mi a CAN-busz feladata,
- felsorolásból kiválasztani, milyen egységek adatforgalmában vesz részt a CAN-busz,
- felsorolásból kiválasztani, mit értünk multiplexelt adattovábbítás alatt,
- felsorolásból kiválasztani az OBD rövidítés jelentését,
- az egyes jeladók megnevezéséhez párosítani azok feladatát.

A tananyag elsajátításához körülbelül 80 percre lesz szüksége.

- motor szabályzó informatikai rendszer (ECU, ECM),
- CAN-busz,
- multiplex adattovábbítás,
- lambda szonda
- hűtőfolyadék hőfokjeladó,
- fojtószelep jeladó,
- légnyelésmérő,
- szívólevegő hőfokadó,
- főtengely szöghelyzet jeladó,
- szívócső depresszió jeladó,
- kopogásszenzor,
- EGR szelep jeladó,
- OBD.

A belsőégésű motor mechatronikája az egyik legösszetettebb mechatronikai rendszer az autóban.

1. ábra. A belsőégésű motor mechatronikai rendszere
Forrás: Toyota
Tevékenység:
párosítsa össze az ábra német és a lista magyar kifejezéseit egymással!
A belsőégésű motorok mechatronikai rendszere a fenti ábra alapján az alábbi elemekből épül fel:



Tevékenység:
jegyezze meg a motorszabályozó informatikai rendszer feladatát!
A motorszabályzó informatikai rendszer fogalmára a Ki? Mi? Lexikon az alábbi definíciót adja:
„Az elektronikus motormenedzsment elsődleges feladatát az egyes paraméterek - állandó folyamatvezérlés mellett történő - koordinálása jelenti, ami biztosítja a motor gazdaságos és környezetbarát működését. A rendszer által szabályozott paraméterek közé tartozik például a gyújtásidő, a befecskendezési mennyiség, a befecskendezési idő, a kipufogógáz visszavezetés, illetve a fojtószelep állása, az átkapcsolható szívócső állása, a variálható turbótöltő geometria és a vezérműtengely helyzete (a benzinmotoros autóknál) stb.
Feladatai elvégzése érdekében az elektronikus motormenedzsment figyeli pl. a fordulatszámot, a motor hőmérsékletét, az üzemanyag fajtáját (a kopogásérzékelő útján) és a gázpedál állását. A normál üzemi állapottól való eltérés esetén a hibamemóriában eltárolja a vonatkozó információkat, hogy a következő szerviz alkalmával át lehessen vizsgálni azokat”
Az ECU fő feladatát (a motor gazdaságos és környezetbarát működtetését) az alábbi részfeladatokon keresztül látja el:
Első feladatkör:
Nézzünk bele a motor menedzsment elektronikus egységébe!
A motorvezérlő 16 vagy 32 bites processzorral rendelkezik. Bár ezek nem akkora teljesítményűek, mint a legmodernebb PC-k, a motor menedzsment így is rengeteg információt képes feldolgozni. Azt mondják, hogy a mai motorvezérlők hatékonyabbak, mint az űrsikló fő processzora.
Kívülről minden ECU egyforma (2. ábra): fém doboz sokpólusú villamos csatlakozóval. A csatlakozóval kötődik a szenzorokhoz, kapcsolókhoz, aktuátorokhoz, kommunikációs rendszerhez.

2. ábra. ECU
jegyezze meg a motorszabályozó informatikai rendszer feladatát!
A motorszabályzó informatikai rendszer fogalmára a Ki? Mi? Lexikon az alábbi definíciót adja:
„Az elektronikus motormenedzsment elsődleges feladatát az egyes paraméterek - állandó folyamatvezérlés mellett történő - koordinálása jelenti, ami biztosítja a motor gazdaságos és környezetbarát működését. A rendszer által szabályozott paraméterek közé tartozik például a gyújtásidő, a befecskendezési mennyiség, a befecskendezési idő, a kipufogógáz visszavezetés, illetve a fojtószelep állása, az átkapcsolható szívócső állása, a variálható turbótöltő geometria és a vezérműtengely helyzete (a benzinmotoros autóknál) stb.
Feladatai elvégzése érdekében az elektronikus motormenedzsment figyeli pl. a fordulatszámot, a motor hőmérsékletét, az üzemanyag fajtáját (a kopogásérzékelő útján) és a gázpedál állását. A normál üzemi állapottól való eltérés esetén a hibamemóriában eltárolja a vonatkozó információkat, hogy a következő szerviz alkalmával át lehessen vizsgálni azokat”
Az ECU fő feladatát (a motor gazdaságos és környezetbarát működtetését) az alábbi részfeladatokon keresztül látja el:
Első feladatkör:
- gyújtásvezérlés,
- injektorok vezérlése,
- alapjárat szabályozása.
- indításvezérlés, tápellátás,
- generátor vezérlése,
- adatok és érzékelők kiolvasása, digitalizálása, feldolgozása, és az ehhez rendelhető öndiagnosztika üzemmód vezérlése,
- beavatkozó szervek jeleinek előállítása,
- sebesség limitálása,
- vezetési stílusról információk gyűjtése és ennek függvényében a befecskendező szabályozása,
- káros anyag kibocsájtásának alacsony szinten tartása,
- fordulatszám szabályozása,
- stb.
Nézzünk bele a motor menedzsment elektronikus egységébe!
A motorvezérlő 16 vagy 32 bites processzorral rendelkezik. Bár ezek nem akkora teljesítményűek, mint a legmodernebb PC-k, a motor menedzsment így is rengeteg információt képes feldolgozni. Azt mondják, hogy a mai motorvezérlők hatékonyabbak, mint az űrsikló fő processzora.
Kívülről minden ECU egyforma (2. ábra): fém doboz sokpólusú villamos csatlakozóval. A csatlakozóval kötődik a szenzorokhoz, kapcsolókhoz, aktuátorokhoz, kommunikációs rendszerhez.

2. ábra. ECU
A külvilággal a korábbiakban megismert módon két irányban kapcsolódik. Egy vezetékköteg viszi az érzékelők mért eredményeit az autó üzemállapotáról az ECU bemenetére, és egy másik vezetékkötegen keresztül pedig a kimenetéről továbbmegy a motor felé a beavatkozó szerveken keresztül. Úgy is fogalmazhatunk, hogy feladata a motorvezérlő rendszer érzékelőelemei által nyújtott információk feldolgozása, és az ennek megfelelő beavatkozó jelek létrehozása.
Automataváltó esetében az ECU-nak kapcsolatban kell lenni az automata váltót szabályozó elektronikával a TCU-val (Transzmission Control Unit).
Tevékenység:
jegyezze meg, mi a CAN-busz feladata, és milyen egységek adatforgalmában vesz részt!
Tevékenység:
jegyezze meg, mi a CAN-busz feladata, és milyen egységek adatforgalmában vesz részt!
A technika fejlődésével a gépjárműbe épített elektronikus berendezések száma növekszik, ezért CAN-buszok alkalmazása vált szükségessé. A CAN (Controller Area Network) soros buszrendszert jelent, melyet az autóknál való felhasználás céljából fejlesztettek ki. A CAN adatbusz biztosítja az érzékelők és a vezérlőegységek közötti digitális jelek adatcseréjét, így egy érzékelő jele több vezérlőegységhez el tud jutni feldolgozás céljából. A CAN-adatbusz kivitelezése szalagkábellel történik.
A CAN-adatbusz rendszer lényegében három egység adatforgalmában vesz részt. Ezek a következők:
A CAN-adatbusz rendszer lényegében három egység adatforgalmában vesz részt. Ezek a következők:
- motorvezérlő,
- az automata sebességváltó szabályozása,
- ABS/ESP egység (blokkolásgátló/elektronikus menetstabilizáló).
A CAN-BUSZ vezérlőegységének vázlatos elrendezését a 3. ábrán láthatjuk.

3. ábra. CAN-BUSZ vezérlője

3. ábra. CAN-BUSZ vezérlője
Reflexió a lezáratlan vezeték végéről visszaverődő feszültséghullámok keletkezése. Optimális lezárás esetén nincs visszaverődés, ezáltal nincs hibás információ közvetítés.
A CAN-adatbusz előnyei:
Ezen feladatok elvégzésére írt programokat, szoftvereket gépközeli „alacsonyszintű” programozási nyelven írják az alkalmazott célhardverre. Az így megírt szoftverek titkosak. Nehéz visszafejteni őket. A mikrovezérlőt a gyártás utolsó fázisában programozzák fel, a jármű felszereltségétől függően. Ahány típusú gépkocsi, annyi fajta program létezik, de a tervezőknek arra kell törekedni, hogy hiba esetén is használható legyen a gépkocsi.
A szoftverek egyre nagyobb jelentőséggel bírnak, feladatkörük folyamatosan bővül, mivel egyre több rendszernek kell kommunikálni egymással.
A 4. ábrán az ECU vázlatos felépítése látható.

4. ábra. ECM felépítése
A CAN-adatbusz előnyei:
- csökken a szükséges vezetékek száma,
- az adatcsere több vezérlőegység között lehetséges,
- gyors adatátvitel,
- szabványosított csatlakozás, adatátvitel,
- a bővítéshez általában elegendő a szoftvermódosítás,
- a jeladók jelének több helyen történő felhasználási lehetősége.
Ezen feladatok elvégzésére írt programokat, szoftvereket gépközeli „alacsonyszintű” programozási nyelven írják az alkalmazott célhardverre. Az így megírt szoftverek titkosak. Nehéz visszafejteni őket. A mikrovezérlőt a gyártás utolsó fázisában programozzák fel, a jármű felszereltségétől függően. Ahány típusú gépkocsi, annyi fajta program létezik, de a tervezőknek arra kell törekedni, hogy hiba esetén is használható legyen a gépkocsi.
A szoftverek egyre nagyobb jelentőséggel bírnak, feladatkörük folyamatosan bővül, mivel egyre több rendszernek kell kommunikálni egymással.
A 4. ábrán az ECU vázlatos felépítése látható.

4. ábra. ECM felépítése
Az 5. ábrán az ECU bemeneti oldal felőli kivitelét láthatjuk.

5 ábra. ECU a bemeneti oldal felől multiplexeres kivitelben.

5 ábra. ECU a bemeneti oldal felől multiplexeres kivitelben.
Tevékenység:
fogalmazza meg, mit értünk multiplexelt adattovábbítás alatt!
Az 5. ábrán a bemeneti mért jelek száma csak 4, valójában ennél jóval több bemenettel rendelkeznek az ECU-k. A kimeneti oldala a motorvezérléshez és szabályozáshoz szükséges szintén nagyobb számú csatlakozást biztosít. A multiplexelt adattovábbítás azt jelenti, hogy az egyes részegységek egymás után, ugyanazon a vezetéken továbbítják az adataikat, így a jármű kábelezése egyszerűbb, mintha minden részegységnek külön vezetéke lenne. A multiplexer több bemenőjel közül kiválasztja, hogy melyik bemenő adat kerüljön a kimenetére, ahonnan a mérőátalakító jele az A/D átalakító bemenetére kerül. A multiplexert vezérelve választjuk ki az A/D átalakító bemenetére kerülő jelet a feldolgozás számára. Ez ciklikusan történik.
A feldolgozásból származó eredményt az elektronika, vezérlés vagy szabályozás útján aktiválja. Így biztosítható, hogy a biztonság, menettulajdonságok, tüzelőanyag-fogyasztás, szennyezőanyag kibocsátása a kívánt értéken maradjon.
A mai ECU-k közös vonása a nagyfokú integráltság, és az egyre kisebb méret. Meghibásodás esetén javítani gyakorlatilag lehetetlen, csak cserélni lehet. Ha mégis megbontásra kerül az ECU, akkor akár testünk vagy ruházatunk elektrosztatikus feltöltődése is kárt okozhat benne, ezért földelt csuklópánt nélkül az ECU egység megbontását ne végezzük.
fogalmazza meg, mit értünk multiplexelt adattovábbítás alatt!
Az 5. ábrán a bemeneti mért jelek száma csak 4, valójában ennél jóval több bemenettel rendelkeznek az ECU-k. A kimeneti oldala a motorvezérléshez és szabályozáshoz szükséges szintén nagyobb számú csatlakozást biztosít. A multiplexelt adattovábbítás azt jelenti, hogy az egyes részegységek egymás után, ugyanazon a vezetéken továbbítják az adataikat, így a jármű kábelezése egyszerűbb, mintha minden részegységnek külön vezetéke lenne. A multiplexer több bemenőjel közül kiválasztja, hogy melyik bemenő adat kerüljön a kimenetére, ahonnan a mérőátalakító jele az A/D átalakító bemenetére kerül. A multiplexert vezérelve választjuk ki az A/D átalakító bemenetére kerülő jelet a feldolgozás számára. Ez ciklikusan történik.
A feldolgozásból származó eredményt az elektronika, vezérlés vagy szabályozás útján aktiválja. Így biztosítható, hogy a biztonság, menettulajdonságok, tüzelőanyag-fogyasztás, szennyezőanyag kibocsátása a kívánt értéken maradjon.
A mai ECU-k közös vonása a nagyfokú integráltság, és az egyre kisebb méret. Meghibásodás esetén javítani gyakorlatilag lehetetlen, csak cserélni lehet. Ha mégis megbontásra kerül az ECU, akkor akár testünk vagy ruházatunk elektrosztatikus feltöltődése is kárt okozhat benne, ezért földelt csuklópánt nélkül az ECU egység megbontását ne végezzük.

Tevékenység:
jegyezze meg, mi az egyes jeladók feladata!
A gázpedál jeladó a vezető szándékát közvetíti a motornak. Azt jelzi, hogy a vezető milyen mértékben nyomta le a pedált.
Mivel a motor a legkomplexebb mechatronikai egység az autóban, célszerű volt itt összefoglalni egy tipikus jármű fődarab mechatronikai jellemzőit.
Az ECU egy nagysebességű kommunikációs rendszerrel (BUS) kapcsolatban van más fődarabok vezérlő egységével, azok számára információs üzeneteket küld és azoktól fogad ilyeneket.
jegyezze meg, mi az egyes jeladók feladata!
A gázpedál jeladó a vezető szándékát közvetíti a motornak. Azt jelzi, hogy a vezető milyen mértékben nyomta le a pedált.
- A lambda szonda küld információkat a keverék (levegő+tüzelőanyag) minőségéről. Az ECU folyamatosan szabályozza a keverék arányát a tüzelőanyag fogyasztás és az emisszió minimum szinten tartása céljából. Ha a szenzor rossz, akkor a motor túl dús keverékkel jár, sokat fogyaszt és erősen szennyezi a levegőt, illetve tönkre teszi a katalizátort.
- A hűtőfolyadék hőfokjeladó tájékoztat a motor hőmérsékletről. Az ECU ezt nagyon sok mennyiség változtatására használja, pl. ha a motor hideg, a keveréket dúsítja.
- A fojtószelep jeladó a szelep állásával arányos feszültség jelet küld az ECU számára, amit pl. a gyújtás időzítés illetve a befecskendezés mennyiség változtatás érdekében használ fel.
- A légnyelésmérő a beszívott levegő tömegét vagy térfogatát méri. A mért jelet az optimális keverék arány kialakításához használja a vezérlő. (Mass Air Flow (MAF) sensor=tömegáram jeladó, vagy Vane Air Flow (VAF) sensor térfogatáram jeladó). Sokféle ilyen szenzor létezik: fűtőhuzalos, lengőlapátos stb., és mindegyik jó drága, ha cserélni kell.
- A szívólevegő hőfokadó a beszívott levegő állapotáról ad információt az ECU-nak.
- A főtengely szöghelyzet jeladó a gyújtás időzítés és motor fordulatszám fő jelét biztosítja. Sok motoron a vezérműtengely(ek) szöghelyzetét is külön jeladó reprezentálja az ECU számára.
- A szívócső depresszió jeladó (manifold absolute pressure (MAP) sensor) a vákuumot méri és az ECU a motor terhelés meghatározásához használja fel. Elsősorban a gyújtás időzítést és a befecskendezés mennyiségét befolyásolja.
- A kopogásszenzor a rendellenes égésről tudósítja a motor menedzsmentet, amely beavatkozik ennek elkerülésére.
- Az EGR szelep jeladó (exhaust gas recirculation (EGR)=kipufogógáz visszavezetés) a szelep állását viszi az ECU-ba, amely folyamatosan ellenőrzi a kívánt alacsony emisszió érdekében.
- A befecskendezett tüzelőanyag mennyiségét és idejét.
- A fojtószelepet mozgató motort.
- A tüzelőanyag szivattyút.
- A benzintank szellőző szelepet.
- Hűtőventillátor motort.
- Vezérmű tengely aktuátort.
Mivel a motor a legkomplexebb mechatronikai egység az autóban, célszerű volt itt összefoglalni egy tipikus jármű fődarab mechatronikai jellemzőit.
Az ECU egy nagysebességű kommunikációs rendszerrel (BUS) kapcsolatban van más fődarabok vezérlő egységével, azok számára információs üzeneteket küld és azoktól fogad ilyeneket.

1. Jelölje meg, mi a motor szabályzás fő célja!
A motor nyomaték növelése. | |
A motor élettartam maximálása. | |
A motor gazdaságos és környezetkímélő üzemének biztosítása.
| |

2. Jelölje meg, mi a CAN-busz feladata!
A CAN adatbusz biztosítja, hogy az érzékelők analóg jele a vezérlőegységhez digitális jel formájában jusson el. | |
A CAN adatbusz biztosítja, hogy több érzékelő jele ugyanahhoz a vezérlőegységhez jusson el. | |
A CAN adatbusz biztosítja, hogy az érzékelők digitális jele több vezérlőegységhez is el tudjon jutni. | |
A CAN adatbusz biztosítja, hogy a vezérlőegységek digitális jele eljusson az érzékelőkhöz.
| |

3. Jelölje meg, milyen egységek adatforgalmában vesz részt a CAN-busz!
Tempomat. | |
Generátor. | |
Motorvezérlő. | |
Automatat sebességváltó. | |
ABS/ESP egység.
| |

4. Jelölje meg, mit értünk multiplexelt adattovábbítás alatt!
Az adatok egyszerre több vezetéken futnak párhuzamosan. | |
Az adatok a vezérlőegységből minden egyes vezérelt egységhez külön vezeték mennek. | |
Az adatok ugyanazon a vezetéken egyszerre mennek minden vezérlet egységhez. | |
Az adatok ugyanazon a vezetéken egymástól elkülönítve mennek az egyes egységekhez.
| |

5. Jelölje meg, mit jelent az OBD!
Fedélzeti számítógép. | |
Fedélzeti diagnosztika. | |
Vész üzemmód.
| |

6. Jelölje meg, melyik jeladók adnak információt az ECU-nak a gyújtás időzítésével kapcsolatban!
Lambda szonda jeladó. | |
Szívócső-depresszió jeladó. | |
Hűtőfolyadék-hőfok jeladó. | |
Fojtószelep-jeladó. | |
Szívólevegő hőfokadó. | |
EGR-szelep jeladó. | |
Főtengely-szöghelyzet jeladó.
| |

7. Jelölje meg, melyik jeladó jelzi a motor hőmérsékletét!
Lambda szonda jeladó. | |
Szívócső-depresszió jeladó. | |
Kopogásszenzor. | |
Hűtőfolyadék-hőfok jeladó. | |
Fojtószelep-jeladó. | |
Szívólevegő hőfokadó. | |
EGR-szelep jeladó.
| |

8. Jelölje meg, mi a lambda-szonda feladata!
A vezérműtengely szöghelyzetét jelzi. | |
A beszívott levegő tömegét vagy térfogatát méri. | |
Információkat ad a keverék (levegő+tüzelőanyag) minőségéről. | |
A beszívott levegő állapotáról ad információt.
| |